高碾壓混凝土壩層間結合性能影響因素試驗研究

葉新 董海英

摘要： 為確定云南省黃登水電站大壩碾壓混凝土（RCC）配合比和施工質量控制參數，通過試驗研究了RCC壩層面間隔時間和碾壓層面處理方式對RCC層面抗剪強度特性及抗滲特性的影響。結果表明：層面間隔在8 h內時，縮短間隔時間能更有效地提升層間結合性能;超過8 h后，層間結合性能對間隔時間的敏感性逐漸降低并趨于收斂。采用鋪砂漿處理層面的RCC層間結合性能最優。

關鍵詞： 碾壓混凝土壩;層間結合;抗剪強度;抗滲特性;黃登水電站;云南省

中圖法分類號：TV642.2 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.012

文章編號：1006 - 0081（2021）12 - 0072 - 04

0 引 言

20世紀70年代起，碾壓混凝土（RCC）技術因其特有的優勢在世界各國混凝土壩施工中快速發展。碾壓混凝土壩素有“千層餅”之喻，對于0.3 m的澆筑層厚度，每立方米碾壓混凝土將產生大于3 m2的層面，碾壓層之間的結合面是RCC薄弱環節。RCC通常采用薄層連續澆筑，第1層混凝土壓實后，層面間需要隔一定時間再澆筑第2層碾壓混凝土，才能保證層面間依然有良好的黏結力和抗滲性能;碾壓層面應采用不處理、凈漿或砂漿處理中的哪種方法;針對這些問題目前還沒有一致的解決方案[1-2]。

云南省黃登水電站大壩是目前世界上最高的碾壓混凝土重力壩之一，最大壩高203 m，將有680多個層面。黃登水電站大壩對筑壩碾壓混凝土材料要求很高，其中層間結合特性和質量控制參數以及抗剪、抗滲特性是工程建設中的關鍵控制性指標。因此，本次試驗針對該工程特點開展了層間結合特性和質量控制參數研究。

1 工程概況

黃登水電站位于云南省怒江州蘭坪縣營盤鎮境內的瀾滄江上游河段，為瀾滄江上游曲孜卡至苗尾河段規劃8個梯級中的第6個梯級。壩址距營盤鎮公路里程約12 km，距蘭坪縣城約67 km，距昆明市約631 km。該電站以發電為主，是兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和旅游等綜合效益的大型水利水電工程。總裝機容量190萬kW（4×47.5萬kW），正常蓄水位1 619.00 m，死水位1 586.00 m，屬Ⅰ等大（1）型工程。樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪放空建筑物、左岸地下引水發電系統等建筑物組成。大壩和引水發電系統混凝土總量約463.41萬m3，其中壩體碾壓混凝土約275.3萬m3，壩體常態混凝土約91.48萬m3，水墊塘常態混凝土約26.8萬m3，引水發電系統混凝土約69.83萬m3。

2 試驗原材料

試驗原材料包括：云南紅塔滇西水泥股份有限公司生產的42.5級中熱硅酸鹽水泥，28 d抗壓強度和抗折強度分別為50 MPa和8.6 MPa。宣威發電廠的分選Ⅱ級粉煤灰，28，90，180 d齡期的活性指數分別為64.5%，83.4%，92.0%。 膠凝材料主要化學成分見表1。黃登水電站工地砂石骨料加工系統生產的大格拉石料場灰巖人工骨料，表觀密度為2 680 kg/m3，壓碎指標為8.6% 。江蘇博特新材料有限公司生產的JM-Ⅱ（R）碾壓混凝土高效減水劑及該廠生產的JM-YQJ引氣劑。

3 碾壓混凝土技術指標和配合比

采用了黃登水電站二級配C9025W12F150碾壓混凝土，碾壓混凝土主要技術指標和配合比參數見表2～3。

4 室內模擬碾壓層面不同處理方式

室內RCC模擬試驗試件制備方式：將15 cm×15 cm×15 cm的立方體試模邊壁上涂一層礦物油，將已成型的下層碾壓混凝土試模放入養護室中養護。養護達到所需的層面間隔時間后取出試模，層面按不處理、鋪水泥凈漿、鋪砂漿3種方式處理，然后裝入上層碾壓混凝土拌和物，振動壓實后放入養護室繼續養護。層面所鋪砂漿、水泥漿的厚度為1.0～1.5 cm。拆模養護90 d齡期后，將試件沿層面進行抗剪試驗和抗滲試驗[3]。

RCC層面分別采用不作處理、凈漿、砂漿處理，層面間隔時間采取4，6，8，12，24 h。凈漿水膠比與碾壓混凝土相同，砂漿配合比強度等級比碾壓混凝土提高一個等級，層面處理用凈漿和砂漿配合比及抗壓強度見表4～5。

5 碾壓混凝土層間抗剪試驗成果分析

RCC按層面間隔4，6，8，12，24 h以及不同層面處理方式后，進行了90 d齡期的抗剪試驗。試驗采用平推法，試驗最大正應力為6 MPa，每組試驗法向應力按最大法向應力均勻分成5級[4]，按式（1），（2），（3）分別計算各級法向荷載下的極限抗剪強度、殘余抗剪強度、摩擦抗剪強度：

[τ極=Q極A] （1）

[τ殘=Q殘A] （2）

[τ摩=Q摩A] （3）

式中：[τ]極，[τ殘]，[τ摩]分別為極限抗剪強度、殘余抗剪強度、摩擦抗剪強度，MPa;[Q]極，[Q殘]，[Q摩]分別為極限剪切荷載、殘余剪切荷載、摩擦阻力，N;[A]為剪切面面積，mm2。

根據各級法向應力下的極限抗剪強度、殘余抗剪強度、摩擦抗剪強度，在坐標圖上繪制σ～τ關系曲線圖，并用最小二乘法或作圖法求得式（4），（5），（6）中的[f]和c′值：

[τ=σf+c] （4）

[τc=σf′c+c′c] （5）

[τm=σf′m+c′m] （6）

式中：[σ]為法向應力，MPa;[f]，[f′c]，[f′m]分別為極限抗剪摩擦系數、殘余抗剪摩擦系數、摩擦抗剪摩擦系數。[c]，[c′c]，[c′m]分別為極限抗剪黏聚力、殘余抗剪黏聚力、摩擦抗剪黏聚力，MPa。由于文章篇幅限制，選取了法向應力為4 MPa時的抗剪強度進行對比分析，抗剪試驗成果見表6。

抗剪試驗成果分析表明：RCC層面處理方式和層面間隔時間影響RCC抗剪強度，不同層面處理方式和間隔時間與抗剪峰值強度、殘余強度和單點摩擦強度關系見圖1～3。

分析試驗結果可知：隨著RCC層面間隔時間增加，層面抗剪峰值強度呈現降低趨勢。間隔時間在8 h內時，抗剪強度峰值下降速度較快;當間隔超過8 h，抗剪強度峰值下降速度減慢并逐漸趨于收斂。結果表明：RCC層面間隔在8 h以內時，對層面抗剪強度影響較大;當間隔超過8 h，RCC層面之間有明顯的分隔，超過初凝時間后實際上已經是兩層分離的碾壓混凝土，故其后抗剪峰值強度逐漸趨于穩定。鋪砂漿處理方式的RCC層面間抗剪強度最高，凈漿處理比不處理的層間抗剪強度高[5]。

RCC層面抗剪殘余強度在層面間隔8 h內隨間隔時間增加而降低，8 h后3種層面處理方式的抗剪殘余強度逐漸趨于穩定，鋪砂漿處理方式的RCC層面間抗剪殘余強度最高，凈漿處理方式其次，不處理的層間抗剪殘余強度最小。

單點摩擦試驗是剪切破壞后重新扶正試件進行的剪切試驗，由于此時試件已經沿層面破壞，由圖3的曲線可知單點摩擦強度與層間間隔時間或處理方式無明顯規律。

6 碾壓混凝土層間抗滲試驗成果分析

RCC相對抗滲性試驗是將抗滲儀水壓力一次加到0.8 MPa，恒定24 h后測定滲水高度，計算相對抗滲系數。不同層面處理方式及間隔時間的RCC層間抗滲性能試驗結果見表7。

抗滲試驗結果顯示：不同層面間隔時間和3種不同層面處理方式的RCC層面相對滲透系數在0.286′10-6～3.105′10-6? cm/h之間，整體抗滲效果較好。因層面處理方式和層面間隔時間不一樣，相對滲透系數有所差異，不同層面處理方式下相對滲透系數與間隔時間之間的關系見圖4。

試驗成果分析表明：層面間隔在8 h以內時，3種處理方式的RCC試件相對抗滲系數相差不大。隨著層面間隔時間的增大，3種處理方式的RCC試件相對滲透系數都呈增大的趨勢，但最后都趨于穩定。層面不處理的RCC試件相對滲透系數最大，鋪凈漿的RCC試件相對滲透系數又略大于鋪砂漿的RCC試件。說明層面間隔時間在8 h以內，上下兩層RCC能夠結合比較緊密，而超過8 h的間隔時間則會逐漸形成穩定的層面縫，從而具有較大的相對滲透性[6]。

7 結 論

本文依托黃登水電站“200 m級碾壓混凝土原材料及配合比性能試驗深化研究”項目，通過試驗研究了RCC層面間隔時間和3種層面處理方式對RCC層面抗剪強度特性及抗滲特性的影響，得到結論如下。

（1）RCC層面間隔時間在8 h內時，抗剪強度隨著間隔時間的增大下降速度較快;當間隔時間超過8 h時，抗剪強度下降速度減慢并逐漸趨于收斂。鋪砂漿處理方式的RCC層面間抗剪強度最高，凈漿處理比不處理的層間抗剪強度高。

（2）RCC試件相對抗滲系數與層面間隔時間正相關。隨著層面間隔時間的增大，3種處理方式的RCC試件相對滲透系數都呈增大的趨勢，但最后都趨于穩定。層面不處理的RCC試件相對滲透系數最大，鋪凈漿的RCC試件相對滲透系數略大于鋪砂漿的RCC試件。

（3）RCC層間抗剪試驗和抗滲試驗結果分析表明：黃登水電站RCC層面間隔時間越短，混凝土層間結合特性越好，混凝土抗剪和抗滲能力越高;并且在8 h內，縮短間隔時間能更有效提升層間結合性能，超過8 h后，層間結合性能對間隔時間的敏感性逐漸降低并趨于收斂。

（4）混凝土層間結合面抗剪和抗滲性能試驗均表明，采用鋪砂漿處理方式的層間結合性能最好，鋪凈漿處理方式次之，不處理時層間結合性能最差。

參考文獻：

[1] 楊華全，周守賢，鄺亞力. 三峽工程碾壓混凝土層面結合性能試驗研究[J].長江科學院院報，1996，13（4）： 29-32.

[2] 汪琣銘，許乾慰. 材料研究方法[M].北京：科學出版社，2006.

[3] 姜福田.碾壓混凝土壩的層面與影響[J].水利水電技術，2008，39（2）： 19-21.

[4] 張業勤，周浪，蔡勝華.彭水水電站碾壓混凝土原位抗剪試驗研究[J].四川水力發電，2008，27（5）： 90-94.

[5] 宋擁軍，肖亮達.改善碾壓混凝土壩層間結合性能的主要措施[J].湖北水力發電，2008（1）： 37-40.

[6] 謝彥輝，楊海泉，趙雅玲.南沙水電站大壩碾壓混凝土層面結合質量的控制方法[J]. 廣東水利水電，2013（11）： 58-61.

（編輯：江 文）

Experimental study of influencing factors of interlayer bonding performance of RCC dam

YE Xin， DONG Haiying

（PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited， Kunming? 650033， China）

Abstract： In order to determine the compacted concrete proportion and construction quality control parameters of RCC dam of Huangdeng Hydropower Station in Yunnan Province，we carried out some tests to study the effect of RCC dam layer grouting interval time and processing methods on the shear strength and impermeability characteristics of RCC layer.The test results showed that shortening the grouting interval time within 8h could effectively improve the interlayer bonding performance.After more than 8 hours， the sensitivity of interlayer bonding performance to interval time decreased gradually and tended to converge. The RCC interlayer bonding performance was the best when the layer was poured by mortar .

Key words： RCC dam;interlayer bonding; shear strength; impermeability characteristic;Huangdeng Hydropower Station;Yunnan Province